JP5146581B1

JP5146581B1 - 燃焼制御装置

Info

Publication number: JP5146581B1
Application number: JP2011201062A
Authority: JP
Inventors: 裕史葛山; 謹河合
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: WO2013038805A1; JP2013060922A

Abstract

【課題】燃焼室内への吸気圧が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵは、１回目の燃料噴射及びこの後に実施される２回目の燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定した後、吸気圧センサにより検出された吸気圧が基準圧力よりも低いかどうかを判断し、吸気圧が基準圧力よりも低いときは、燃焼室内の空燃比を基準圧力時に設定される空燃比に維持するように制御し、更に１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させる。そして、ＥＣＵは、燃料噴射量及び燃料噴射時期に従って１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射を順次実施するように、インジェクタを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置に関するものである。

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、気筒の圧縮行程中期から後期にかけてインジェクタにより燃料を複数回に分けて噴射させることで、予めできるだけ均質な混合気を形成した上で自己着火により燃焼させるようにしたものが知られている。

特開２００３−２８６８７９号公報

しかしながら、上記従来技術のように、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、エンジンの燃焼室内への吸気圧が低下すると、適切な燃焼波形（熱発生率波形）が得られず、適切な予混合圧縮着火燃焼の実現が困難になることがある。この場合には、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化につながる。

本発明の目的は、燃焼室内への吸気圧が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供することである。

本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第１の燃料噴射及びその後に実施される第２の燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する決定手段と、燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射を順次実施するように、燃料噴射弁を制御する噴射制御手段と、燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、燃焼室内から燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路と、燃焼室内への吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、吸気圧検出手段により検出された吸気圧が所定圧力よりも低いときに、第１の燃料噴射による着火時期を進角させるように補正する補正手段とを備え、補正手段は、燃焼室内の空燃比を制御する空燃比制御手段と、決定手段により決定された第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させる噴射時期進角手段とを有し、空燃比制御手段は、吸気圧検出手段により検出された吸気圧が所定圧力よりも低いときに、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に維持するように制御することを特徴とするものである。

エンジンの燃焼室内への吸気圧が低下すると、燃焼室内に吸入される空気量が少なくなるため、燃料噴射弁により燃焼室内に燃料を噴射したときに、燃料と空気との酸化反応が遅れ、適切な燃焼波形が得られなくなる。そこで本発明においては、燃焼室内への吸気圧を検出し、吸気圧が所定圧力よりも低いときには、燃料噴射による着火時期を進角させるように補正することにより、その時の燃焼波形が所定圧力時に得られる燃焼波形に近づくようになる。これにより、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。その結果、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化を抑制することができる。

なお、予混合圧縮着火燃焼における燃焼過程では、燃焼室内に噴射された燃料により、熱発生が緩やかに生じる低温酸化反応（冷炎反応）と、低温酸化反応後に熱発生が急激に高まる高温酸化反応（熱炎反応）とを伴う。ここで、燃料噴射による着火時期とは、熱発生が急激に高まる高温酸化反応が始まる時期のことである。

燃料を分割して噴射すると、燃焼室内における燃料の燃焼期間が長くなるため、吸気圧が所定圧力より低くなったときに、燃焼波形が適切な燃焼波形からずれ易い。そこで、検出された吸気圧が所定圧力よりも低いときには、第１の燃料噴射による着火時期を進角させるように補正することにより、その時の燃焼波形が所定圧力時に得られる燃焼波形に近づくようになる。なお、第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射は、要求されるエンジンの出力を発生させるためのメインの燃料噴射を分割して行うものであり、メインの燃料噴射の前に実施されるパイロット噴射やプレ噴射と呼ばれる少量の燃料噴射は含まない。

また、第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させることにより、第１の燃料噴射による着火時期が進角されるため、第１の燃料噴射による着火時期が所定圧力時に得られる着火時期に確実に近づくようになる。また、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に維持するように制御することにより、燃焼波形を所定圧力時に得られる燃焼波形に近づけることができる。従って、燃料と空気との予混合気の燃焼が適切に行われるため、未燃分のＨＣやＣＯの増加を抑制することができる。

このとき、好ましくは、エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、噴射時期進角手段は、吸気圧検出手段により検出された吸気圧が所定圧力よりも低く、かつ、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも高いときに、第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させ、空燃比制御手段は、吸気圧検出手段により検出された吸気圧が所定圧力よりも低く、かつ、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも高いときに、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に維持するように制御する。

一般的にエンジン負荷が低いときは、エンジン負荷が高いときに比べて吸入空気量が少なくなる。そのため、エンジンの負荷が第１の所定値よりも低いときは、第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させても、第１の燃料噴射による着火時期が進角されにくい。従って、第１の燃料噴射による着火時期を進角させやすい領域に絞ることで、第１の燃料噴射による着火時期を所定圧力時に得られる着火時期に効率的に近づけることができる。

このとき、好ましくは、空燃比制御手段は、吸気圧検出手段により検出された吸気圧が所定圧力よりも低く、かつ、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも低いときに、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に対してリーン化するように制御する。

このようにエンジンの負荷が第１の所定値よりも低いときには、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に対してリーン化するように制御することにより、燃焼室内に吸入される空気量が十分多くなる。このため、特に第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させなくても、第１の燃料噴射による着火時期が進角されるため、燃焼波形が所定圧力時に得られる燃焼波形に確実に近づくようになる。従って、燃料と空気との予混合気の燃焼が適切に行われるため、未燃分のＨＣやＣＯの増加を抑制することができる。

また、好ましくは、補正手段は、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射の燃料噴射圧を低下させるように制御する噴射圧制御手段を更に有する。

エンジンの燃焼室内への吸気圧が低くなると、第１の燃料噴射による着火が遅れるため、その後の第２の燃料噴射の実施時に燃焼室内の温度が上昇し、第２の燃料噴射による着火遅れが短縮され、燃料と空気との予混合時間が短くなる。特に、エンジンの負荷が高くなると、着火性が良くなるため、そのような不具合が顕著に表れるようになる。そこで、エンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときには、第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射の燃料噴射圧を低下させることにより、第２の燃料噴射による着火が起こりにくくなるため、燃料と空気との予混合時間が長くなり、予混合不足が防止される。これにより、スモークの増加を抑制することができる。

さらに、補正手段は、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、第２の燃料噴射の燃料噴射量を減量する噴射量減量手段を更に有していても良い。

このようにエンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときには、第２の燃料噴射の燃料噴射量を減量することにより、第２の燃料噴射の燃料噴射圧を低下させる場合と同様に、第２の燃料噴射による着火が起こりにくくなるため、燃料と空気との予混合時間が長くなり、予混合不足が防止される。これにより、スモークの増加を抑制することができる。

また、好ましくは、排気通路と吸気通路とを繋ぐように設けられ、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガスとして燃焼室内に還流するための排気再循環通路と、排気再循環通路に設けられ、排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段とを更に備え、空燃比制御手段は、排気再循環ガスの還流量が減少するようにバルブ手段を制御することで、燃焼室内の空燃比を制御する。

このように排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段を用いることにより、簡単な構成で且つ確実に、燃焼室内の空燃比を所定圧力時に設定される空燃比に維持することができる。

本発明によれば、燃焼室内への吸気圧が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。これにより、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化を抑制することが可能となる。

本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図１に示したＥＣＵにより実行される処理手順を示すフローチャートである。エンジン負荷が低負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示すグラフである。エンジン負荷が低負荷領域にある状況における燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの排出濃度の一例を様々な条件で比較して示すグラフである。エンジン負荷が中負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示すグラフである。エンジン負荷が中負荷領域にある状況におけるＮＯｘの発生量、燃焼騒音のレベルの一例を様々な条件で比較して示すグラフである。エンジン負荷が高負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示すグラフである。エンジン負荷が高負荷領域にある状況におけるスモークの発生率、２回目の燃料噴射による予混合時間の一例を様々な条件で比較して示すグラフである。１回目の燃料噴射の燃料噴射時期のみを進角させた場合の燃焼波形のイメージを、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させた場合の燃焼波形のイメージと比較して示すグラフである。

以下、本発明に係わる燃焼制御装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行う４気筒直列ディーゼルエンジンであり、コモンレール式の燃料噴射装置を備えている。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。

各シリンダ３には、燃焼室４内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）５がそれぞれ配設されている。インジェクタ５は、噴射ノズル５ａから放射状に燃料を噴射する。各インジェクタ５は、コモンレール６に接続されている。コモンレール６は、燃料供給管７を介して高圧ポンプ８と接続されている。コモンレール６は、高圧ポンプ８から供給される高圧燃料を貯留して各インジェクタ５に均一に供給する。燃料供給管７には、コモンレール６内での燃料の圧力（コモンレール圧）を調整するレール圧調整バルブ９が設けられている。

エンジン本体２には、燃焼室４内に空気を吸入するための吸気通路１０がインテークマニホールド１１を介して接続されている。また、エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド１３を介して接続されている。

吸気通路１０には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１４、ターボ過給機１５のコンプレッサ１６、インタークーラー１７及びスロットルバルブ１８が設けられている。スロットルバルブ１８は、吸気通路１０の通路面積を絞り、下流側に負圧を発生させることで、後述する排気再循環（ＥＧＲ）を可能とする。排気通路１２には、ターボ過給機１５のタービン１９及び触媒付きＤＰＦ２０が設けられている。

また、ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガス（ＥＧＲガス）として燃焼室４内に還流する排気再循環（ＥＧＲ）装置２１を備えている。ＥＧＲ装置２１は、吸気通路１０とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐように設けられ、ＥＧＲガスを還流するためのＥＧＲ通路２２と、エキゾーストマニホールド１３から吸気通路１０へのＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ（バルブ手段）２３と、ＥＧＲ通路２２を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２４と、このＥＧＲクーラ２４をバイパスするようにＥＧＲ通路２２に接続されたバイパス通路２５と、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ２４側またはバイパス通路２５側に切り替える切替弁２６とを有している。

上記の各インジェクタ５、レール圧調整バルブ９、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ２３及び切替弁２６は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２７によって制御される。ＥＣＵ２７には、クランク角センサ２８、アクセル開度センサ２９及び吸気圧センサ３０が接続されている。

クランク角センサ２８は、図示しないピストンが連結されるクランク軸の回転角度（クランク角）を検出することで、エンジン本体２の回転数（エンジン回転数）を算出可能とするためのセンサである。アクセル開度センサ２９は、エンジン本体２の負荷（エンジン負荷）の代替値として、アクセルペダルの踏込み角（アクセル開度）を検出するセンサ（負荷検出手段）である。なお、コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンでは、燃料噴射量を電子制御しており、エンジン負荷の代替値として燃料噴射量を用いることも可能である。吸気圧センサ３０は、燃焼室４内に吸入される空気の圧力（燃焼室４内への吸気圧）を検出するセンサ（吸気圧検出手段）であり、例えば吸気通路１０の下流側端部に取り付けられている。

ＥＣＵ２４は、クランク角センサ２８、アクセル開度センサ２９、吸気圧センサ３０の検出信号を入力し、所定の処理を行い、インジェクタ５、レール圧調整バルブ９、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ２３及び切替弁２６を制御する。

ここで、インジェクタ５、コモンレール６、燃料供給管７、高圧ポンプ８、レール圧調整バルブ９、吸気通路１０、排気通路１２、スロットルバルブ１８、排気再循環装置２１、ＥＣＵ２７及びセンサ２８〜３０は、本実施形態の燃焼制御装置３１を構成している。このような燃焼制御装置３１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて、燃焼室４内に空気を吸入すると共に各インジェクタ５から燃焼室４内に燃料を複数回に分けて噴射（分割噴射）して、予混合圧縮着火燃焼を行うように制御する。

図２は、ＥＣＵ２７により実行される処理手順を示すフローチャートである。本処理は、センサ２８〜３０の検出信号に基づいてインジェクタ５、レール圧調整バルブ９及びＥＧＲバルブ２３を制御する処理である。

同図において、まずクランク角センサ２８により検出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ２９により検出されたアクセル開度（エンジン負荷）とに基づいて、１回目の燃料噴射及びこの後に実施される２回目の燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する（手順Ｓ１０１）。

続いて、吸気圧センサ３０により検出された吸気圧が基準圧力（例えば大気圧）よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。吸気圧が基準圧力よりも低いと判断されたときは、アクセル開度センサ２９により検出されたエンジン負荷が低負荷側閾値よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。低負荷側閾値は、例えばアクセル全開に対して３０％の開度とする。

エンジン負荷が低負荷側閾値よりも低いと判断されたときは、その時の燃焼室４内の空燃比（Ａ／Ｆ）が基準圧力時に設定される空燃比に対してリーン化される（大きくなる）ように、ＥＧＲバルブ２３を制御する（手順Ｓ１０４）。具体的には、吸気通路１０へのＥＧＲガスの還流量を減少させることで燃焼室４内への吸入空気量を増加させるように、ＥＧＲバルブ２３を制御する。なお、空燃比をリーン化するときは、燃焼室４内への燃料噴射量を変えずに、燃焼室４内への吸入空気量を増やすようにする。このとき、例えば吸気圧及びエンジン負荷が低くなるほど、空燃比をリーン化する量を増大させる。

このように空燃比をリーン化することにより、燃焼室４内への吸入空気量が多くなるため、インジェクタ５により燃焼室４内に燃料噴射を行ったときに、空気と燃料との予混合気の着火時期が進角するようになる。

一方、エンジン負荷が低負荷側閾値よりも低くないと判断されたときは、その時の燃焼室４内の空燃比が基準圧力時に設定される空燃比に維持されるように、ＥＧＲバルブ２３を制御する（手順Ｓ１０５）。具体的には、燃焼室４内への吸気圧が下がると、燃焼室４内への吸入空気量が少なくなるため、その分だけ燃焼室４内への吸入空気量を増加させる、つまり吸気通路１０へのＥＧＲガスの還流量を減少させるように、ＥＧＲバルブ２３を制御する。

続いて、手順Ｓ１０１で決定された１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させる（手順Ｓ１０６）。このとき、燃料噴射時期の進角量は、例えば吸気圧及びエンジン負荷に応じた量としても良いし、予め設定された一定量としても良い。

このように燃料噴射の燃料噴射時期を進角させることにより、インジェクタ５により燃焼室４内に燃料噴射を行ったときに、空気と燃料との予混合気の着火時期が進角するようになる。

続いて、アクセル開度センサ２９により検出されたエンジン負荷が高負荷側閾値よりも高いかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。高負荷側閾値は、上記の低負荷側閾値よりも大きな値であり、例えばアクセル全開に対して６０％の開度とする。

エンジン負荷が高負荷側閾値よりも高いと判断されたときは、コモンレール圧を予め設定された値から低下させるようにレール圧調整バルブ９を制御する（手順Ｓ１０８）。これにより、インジェクタ５からの燃料噴射圧が低下することになる。このとき、コモンレール圧の低下量は、例えば吸気圧及びエンジン負荷に応じた量としても良いし、予め設定された一定量としても良い。

続いて、手順Ｓ１０１で決定された２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量すると共に、その燃料噴射量の減量分だけ、手順Ｓ１０１で決定された１回目の燃料噴射の燃料噴射量を増量する（手順Ｓ１０９）。このとき、燃料噴射量の減少量は、例えば吸気圧及びエンジン負荷に応じた量としても良いし、予め設定された一定量としても良い。

手順Ｓ１０２で吸気圧が基準圧力よりも低くないと判断されたとき、手順Ｓ１０４を実行したとき、手順Ｓ１０７でエンジン負荷が高負荷側閾値よりも高くないと判断されたとき、手順Ｓ１０９を実行したときは、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射を順次実施するように、各インジェクタ５を制御する（手順Ｓ１１０）。

このとき、手順Ｓ１０２で吸気圧が基準圧力よりも低くないと判断されたとき、手順Ｓ１０４を実行したときは、手順Ｓ１０１で決定された燃料噴射量及び燃料噴射時期に従って、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射を順次実施する。手順Ｓ１０７でエンジン負荷が高負荷側閾値よりも高くないと判断されたときは、手順Ｓ１０１で決定された燃料噴射量及び手順Ｓ１０６で補正された燃料噴射時期に従って、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射を順次実施する。手順Ｓ１０９を実行したときは、手順Ｓ１０９で補正された燃料噴射量及び手順Ｓ１０１で決定された燃料噴射時期に従って、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射を順次実施する。

以上において、上記手順Ｓ１０１は、燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する決定手段を構成する。上記手順Ｓ１１０は、燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて燃料噴射を実施するように、燃料噴射弁５を制御する噴射制御手段を構成する。上記手順Ｓ１０２〜Ｓ１０９は、吸気圧検出手段３０により検出された吸気圧が所定圧力よりも低いときに、燃料噴射による着火時期を進角させるように補正する補正手段を構成する。

このとき、上記手順Ｓ１０２〜Ｓ１０５は、燃焼室４内の空燃比を制御する空燃比制御手段を構成する。上記手順Ｓ１０６は、決定手段により決定された第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させる噴射時期進角手段を構成する。上記手順Ｓ１０７，Ｓ１０８は、負荷検出手段２９により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射の燃料噴射圧を低下させるように制御する噴射圧制御手段を構成する。上記手順Ｓ１０７，Ｓ１０９は、負荷検出手段２９により検出されたエンジンの負荷が第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、第２の燃料噴射の燃料噴射量を減量する噴射量減量手段を構成する。

ところで、大気圧の変化等で燃焼室４内への吸気圧が低くなると、燃焼室４内に吸入される空気量が少なくなるため、インジェクタ５により燃焼室４内に燃料を噴射したときに、燃料と空気との酸化反応が遅れるため、その時の熱発生率波形（燃焼波形）が基準圧力時に得られる熱発生率波形からずれてしまい、基準圧力時と同様の予混合圧縮着火燃焼を実現することが困難となる。この場合には、燃焼騒音が大きくなったり、燃焼悪化による未燃分のＨＣやＣＯが発生しやすくなる。

これに対し本実施形態では、燃焼室４内への吸気圧が基準圧力よりも低いときに、エンジン負荷が低負荷側閾値から高負荷側閾値までの中負荷領域にある状況では、燃焼室４内への吸入空気量が確保されるように基準圧力時に設定される空燃比を維持しつつ、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角するようにしたので、燃料と空気との予混合気の着火時期が基準圧力時とほぼ一致するようになる。このため、熱発生率波形が基準圧力時に得られる熱発生率波形に近づくようになる。従って、予混合気の燃焼が適切に行われるため、燃焼騒音の増大や未燃分のＨＣやＣＯの増加を抑制することができる。また、燃焼室４内の空燃比をリーン化する場合に比べて、ＮＯｘを低減することができる。

燃焼室４内への吸気圧が基準圧力よりも低いときに、エンジン負荷が高負荷側閾値よりも高い高負荷領域にある状況では、燃焼室４内への吸入空気量が確保されるように基準圧力時に設定される空燃比を維持しつつ、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角することに加え、コモンレール圧を低下させることで、インジェクタ５からの燃料噴射圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量する。これにより、上述したように熱発生率波形が基準圧力時に得られる熱発生率波形に近づくようになる。

また、燃焼室４内への吸気圧が低くなると、１回目の燃料噴射による着火が遅れることで、２回目の燃料噴射を行うときに燃焼室４内の温度（筒内温度）が上昇する。このため、特にエンジン負荷が高負荷領域にある状況では、燃料と空気との予混合気の着火性が良くなるため、２回目の燃料噴射による着火遅れが短縮されやすくなる。しかし、上述したように、インジェクタ５からの燃料噴射圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量するようにしたので、２回目の燃料噴射による着火遅れの短縮が抑えられる。従って、２回目の燃料噴射による予混合時間が長くなり、燃料と空気との予混合不足が防止されるため、スモークの増加を抑制することができる。

エンジン負荷が低負荷領域にある状況では、燃料と空気との予混合気の着火性が悪くなるため、燃焼室４内への吸気圧が低くなると、燃焼室４内の圧力（筒内圧力）が低い早期の段階で１回目の燃料噴射が実施されることになる。その状況下で、上記のように燃焼室４内への吸入空気量が確保されるように基準圧力時に設定される空燃比を維持しつつ、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角すると、筒内圧力が更に低い段階で１回目の燃料噴射が実施されてしまう。この場合には、燃料の噴霧到達距離が伸びて、燃焼室４の壁面に付着する噴霧量が多くなるため、ＨＣやＣＯ増加の抑制効果が低下する可能性がある。

そこで、燃焼室４内への吸気圧が基準圧力よりも低いときに、エンジン負荷が低負荷側閾値よりも低い低負荷領域にある状況では、燃焼室４内の空燃比を基準圧力時に設定される空燃比に対してリーン化することにより、燃焼室４内に吸入される空気量が十分多くなるため、第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させなくても、燃料と空気との予混合気の着火時期が早くなる。このため、上記と同様に、予混合気の着火時期が基準圧力時とほぼ一致するようになるため、熱発生率波形が基準圧力時に得られる熱発生率波形に近づくようになる。従って、予混合気の燃焼が適切に行われるため、燃焼騒音の増大や未燃分のＨＣやＣＯの増加を抑制することができる。

図３は、エンジン負荷が低負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示したものである。破線Ｐは、吸気圧が基準圧力であるときの熱発生率波形を表し、細実線Ｑは、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低いときの熱発生率波形を表し、太実線Ｒは、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低いときに、空燃比を基準圧力時に対してリーン化した場合の熱発生率波形を表している。

図３から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなると、着火遅れによって熱発生率波形が基準圧力時のものに比べて大きくずれている（破線Ｐ及び細実線Ｑ参照）。しかし、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなったときに、空燃比を基準圧力時に対してリーン化することにより、熱発生率波形が基準圧力時のものに近づくようになる（破線Ｐ及び太実線Ｒ参照）。

図４は、エンジン負荷が低負荷領域にある状況における燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの排出濃度の一例を図３と同じ条件で比較して示したものである。図４から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなっても、空燃比を基準圧力時に対してリーン化することにより、燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの発生率は基準圧力時と比べて殆ど変化しない。特にＨＣ及びＣＯの排出濃度については、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなったときに空燃比をリーン化しない場合に比べて十分低くなっている。

図５は、エンジン負荷が中負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示したものである。破線Ｐは、吸気圧が基準圧力であるときの熱発生率波形を表し、１点鎖線Ｑは、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低いときの熱発生率波形を表し、細実線Ｒは、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低いときに、空燃比を基準圧力時に対してリーン化した場合の熱発生率波形を表し、太実線Ｓは、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低いときに、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角した場合の熱発生率波形を表している。

図５から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなると、着火遅れによって熱発生率波形が基準圧力時に比べて大きくずれている（破線Ｐ及び１点鎖線Ｑ参照）。しかし、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなったときに、空燃比を基準圧力時に対してリーン化したり、燃料噴射時期を進角することにより、１回目の燃料噴射による熱発生率波形が基準圧力時のものに近づくようになる（破線Ｐ、細実線Ｒ及び太実線Ｓ参照）。

図６は、エンジン負荷が中負荷領域にある状況におけるＮＯｘの発生量、燃焼騒音のレベルの一例を図５と同じ条件で比較して示したものである。図６から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなっても、燃料噴射時期を進角することにより、燃焼騒音のレベルは基準圧力時と比べて殆ど変化しない。また、吸気圧が基準圧力よりも２０ｋＰａだけ低くなったときに、燃料噴射時期を進角した場合には、空燃比を基準圧力時に対してリーン化した場合に比べてＮＯｘの発生量が十分少なくなっている。

図７は、エンジン負荷が高負荷領域にある状況における熱発生率波形の一例を様々な条件で比較して示したものである。破線Ｐは、吸気圧が基準圧力であるときの熱発生率波形を表し、１点鎖線Ｑは、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低いときの熱発生率波形を表し、細実線Ｒは、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低いときに、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角した場合の熱発生率波形を表し、太実線Ｓは、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低いときに、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角したうえ、コモンレール圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量した場合の熱発生率波形を表している。

図７から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低くなると、着火遅れによって熱発生率波形が基準圧力時に比べて大きくずれている（破線Ｐ及び１点鎖線Ｑ参照）。しかし、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低くなったときに、燃料噴射時期を進角することで、１回目の燃料噴射による熱発生率波形が基準圧力時のものに近づくようになる（破線Ｐ、細実線Ｒ及び太実線Ｓ参照）。

図８は、エンジン負荷が高負荷領域にある状況におけるスモークの発生率、２回目の燃料噴射による予混合時間の一例を図７と同じ条件で比較して示したものである。図８から分かるように、吸気圧が基準圧力よりも３０ｋＰａだけ低くなっても、燃料噴射時期を進角したうえ、コモンレール圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量することにより、スモークの発生率は基準圧力時と比べて殆ど変化しない。また、コモンレール圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量した場合には、これらの処理を行わない場合に比べて、２回目の燃料噴射による予混合時間が長くなるため、スモークの発生率が低くなっている。

以上のように本実施形態によれば、燃焼室４内への吸気圧が基準圧力よりも低くなっても、エンジン負荷にかかわらず、１回目の燃料噴射による燃焼波形が基準圧力時のものに近づくようになるので、基準圧力時とほぼ同様の予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。その結果、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化を抑制することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、エンジン負荷が低負荷側閾値よりも高いときは、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させるようにしたが、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期は進角させずに、１回目の燃料噴射の燃料噴射時期のみを進角させても良い。この場合の燃焼波形は、図９の実線Ｘで示すようになる。なお、図９の破線Ｙは、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させた場合の波形を示している。これにより、１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射による熱発生率波形が基準圧力時のものに更に近づくようになり、吸気圧が変化したときの音色変化が少なくなる。

また、上記実施形態では、エンジン負荷が高負荷側閾値よりも高いときは、コモンレール圧を低下させると共に、２回目の燃料噴射の燃料噴射量を減量するようにしたが、特にそれには限られず、コモンレール圧の低下及び２回目の燃料噴射の燃料噴射量の減量のいずれか一方のみを実施しても良い。

また、上記実施形態では、エンジン負荷が高負荷側閾値よりも高いときは、コモンレール圧を低下させた場合において、１回目の燃料噴射の燃料噴射時期の進角量を変更することはなかったが、特にそれには限らず、コモンレール圧を低下させた場合は、１回目の燃料噴射の燃料噴射時期をさらに進角させても良い。これにより、熱発生率波形を基準圧力時に得られる熱発生率波形に更に近づけることができる。なお、この場合、コモンレール圧の低下量を可変とした場合は、１回目の燃料噴射の燃料噴射時期の進角量をコモンレール圧の低下量に応じた量としても良い。

さらに、上記実施形態では、ＥＧＲバルブ２３によりＥＧＲガスの流量を調整することで、燃焼室４内の空燃比を制御するようにしたが、空燃比の制御方法としては特にそれには限られず、例えばターボ過給機の過給圧を上げるようにしても良い。

また、上記実施形態では、メインの燃料噴射を１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射の２回に分けて行うように制御したが、特にそれには限らず、メインの燃料噴射を１回のみ実施しても良い。その場合、エンジン負荷が低負荷閾値よりも低い場合は、空燃比を基準圧力時に対してリーン化するように制御し、エンジン負荷が低負荷閾値よりも高い場合は、基準圧力時の空燃比を維持したままメインの燃料噴射時期を進角させる。

１…ディーゼルエンジン、４…燃焼室、５…インジェクタ（燃料噴射弁）、１０…吸気通路、１２…排気通路、２２…ＥＧＲ通路（排気再循環通路）、２３…ＥＧＲバルブ（バルブ手段）、２７…ＥＣＵ（決定手段、噴射制御手段、補正手段、空燃比制御手段、噴射時期進角手段、噴射圧制御手段、噴射量減量手段）、２９…アクセル開度センサ（負荷検出手段）、３０…吸気圧センサ（吸気圧検出手段）、３１…燃焼制御装置。

Claims

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、
前記エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
第１の燃料噴射及びその後に実施される第２の燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する決定手段と、
前記燃料噴射量及び前記燃料噴射時期に応じて前記第１の燃料噴射及び前記第２の燃料噴射を順次実施するように、前記燃料噴射弁を制御する噴射制御手段と、
前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
前記燃焼室内から燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路と、
前記燃焼室内への吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
前記吸気圧検出手段により検出された前記吸気圧が所定圧力よりも低いときに、前記第１の燃料噴射による着火時期を進角させるように補正する補正手段とを備え、
前記補正手段は、前記燃焼室内の空燃比を制御する空燃比制御手段と、前記決定手段により決定された前記第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させる噴射時期進角手段とを有し、
前記空燃比制御手段は、前記吸気圧検出手段により検出された前記吸気圧が前記所定圧力よりも低いときに、前記燃焼室内の空燃比を前記所定圧力時に設定される空燃比に維持するように制御することを特徴とする燃焼制御装置。
前記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、
前記噴射時期進角手段は、前記吸気圧検出手段により検出された前記吸気圧が前記所定圧力よりも低く、かつ、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が第１の所定値よりも高いときに、前記第１の燃料噴射の燃料噴射時期を進角させ、
前記空燃比制御手段は、前記吸気圧検出手段により検出された前記吸気圧が前記所定圧力よりも低く、かつ、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が前記第１の所定値よりも高いときに、前記燃焼室内の空燃比を前記所定圧力時に設定される空燃比に維持するように制御することを特徴とする請求項１記載の燃焼制御装置。
前記空燃比制御手段は、前記吸気圧検出手段により検出された前記吸気圧が前記所定圧力よりも低く、かつ、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が前記第１の所定値よりも低いときに、前記燃焼室内の空燃比を前記所定圧力時に設定される空燃比に対してリーン化するように制御することを特徴とする請求項２記載の燃焼制御装置。
前記排気通路と前記吸気通路とを繋ぐように設けられ、前記燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガスとして前記燃焼室内に還流するための排気再循環通路と、
前記排気再循環通路に設けられ、前記排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段とを更に備え、
前記空燃比制御手段は、前記排気再循環ガスの還流量が減少するように前記バルブ手段を制御することで、前記燃焼室内の空燃比を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃焼制御装置。
前記補正手段は、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、前記第１の燃料噴射及び前記第２の燃料噴射の燃料噴射圧を低下させるように制御する噴射圧制御手段を更に有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項記載の燃焼制御装置。
前記補正手段は、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値よりも高いときに、前記第２の燃料噴射の燃料噴射量を減量する噴射量減量手段を更に有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項記載の燃焼制御装置。